CN114267940B - 一种基于基片集成波导的毫米波端射宽带圆极化双环阵列 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于基片集成波导的毫米波端射宽带圆极化双环阵列；该双环阵列包括：上层金属面、介质基板、下层金属面以及开环辐射单元组，介质基板设置在上层金属面和下层金属面之间；在上层金属面上设置有金属面开槽；开环辐射单元组通过锥形平行双线分别与上层金属面和下层金属面连接；在毫米波端射宽带圆极化双环阵列上设置有第一金属化过孔和第二金属化过孔；将上层金属面、介质基板和下层金属面从右向左依次划分为GCPW结构、GCPW‑SIW结构和SIW结构；本发明为单层介质板结构，加工难度简单，成本低；对比现有技术，在结构简单的基础上保持了宽3dB轴比带宽和高增益，具有良好的经济效益。

Description

一种基于基片集成波导的毫米波端射宽带圆极化双环阵列

技术领域

本发明本属于天线技术领域，具体涉及一种基于基片集成波导的毫米波端射宽带圆极化双环阵列。

背景技术

圆极化天线在移动性、灵活性、天气穿透、减少多径干扰方面具有优势。毫米波因其具有波长短、频率高、宽频带等特性，在诸多5G应用领域受到了广泛的关注。而平面端射天线由于其具有与基板平行的辐射特性以及低剖面等特点，在手持RFID阅读器、无人机(UAVs)以及自动驾驶等领域具有庞大的应用需求。因此，近年来，毫米波端射圆极化天线受到了国内外学者的广泛关注。

然而，由于毫米波具有传播损耗大、覆盖距离近等缺点，所以迫切需要高增益毫米波天线。而平面端射天线在实现圆极化的同时通常伴随着低增益。因此，如何在毫米波频段实现高增益的平面端射圆极化天线是当今所面临的一道难题。现有的一种提高毫米波端射圆极化天线增益的方法为引入额外结构。通过引入三层介质棒将天线的增益提高至12dBic，但是增加了天线的剖面高度。另一种更为简单且直接的方法被广泛地采用，即组成天线阵列。通过组成天线阵列显著地提高了天线的增益，但是其复杂的馈电网络占据了不少空间。此外，还有在复杂及庞大馈电网络的基础上引入反射金属块提高天线的增益，但却进一步增加了天线的总体高度。综上所述，现有的提高毫米波端射圆极化天线增益的方案或引入额外的结构，或增加了剖面高度以及天线的复杂程度，或使用庞大而复杂的馈电网络组成天线阵列，都不利于毫米波端射圆极化天线的简单化、小型化和集成化。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于基片集成波导的毫米波端射宽带圆极化双环阵列，该双环阵列包括：上层金属面、介质基板、下层金属面以及开环辐射单元组，介质基板设置在上层金属面和下层金属面之间；在上层金属面上设置有金属面开槽；开环辐射单元组通过锥形平行双线分别与上层金属面和下层金属面连接；在毫米波端射宽带圆极化双环阵列上设置有第一金属化过孔和第二金属化过孔；其中，第一金属化过孔贯穿上层金属面、介质基板以及下层金属面；第二金属过孔贯穿介质基板。

优选的，上层金属面开槽包括第一上层金属面开条和第二上层金属面开条，第一上层金属面开条和第二上层金属面开条均包括直线金属面开条和斜线金属面开条，其中直线金属面开条与斜线金属面开条连接。

进一步的，将上层金属面、介质基板和下层金属面从右向左依次划分为GCPW结构、GCPW-SIW结构和SIW结构；其中，GCPW结构由上层金属面开槽的直线金属面开条与其对应部分的上层金属面、介质基板、下层金属面以及第一金属化过孔共同组成；GCPW-SIW结构由上层金属面开槽的斜线金属面开条与其对应部分的上层金属面、介质基板、下层金属面以及第一金属化过孔共同组成；SIW结构由未设置上层金属面开槽所对应的上层金属面、介质基板以及下层金属面和该部分对应的第一金属化过孔组成。

优选的，开环辐射单元组包括至少1个开环辐射单元，开环辐射单元由两条偏移金属印刷条、两条开路金属印刷条、两条金属印刷条以及两个第三金属化过孔组成；上偏移金属印刷条与上开路金属印刷条连接，下偏移金属印刷条与下开路金属印刷条连接；一个第三金属化过孔贯穿上金属印刷条与上开路金属印刷条的连接处和下金属印刷条，另一个第三金属化过孔贯穿下金属印刷条与下开路金属印刷条的连接处和上金属印刷条。

进一步的，开环辐射单元组的开环辐射单元之间通过相位延迟线串行连接。

进一步的，开环辐射单元组以开环辐射单元组中心点为定点，关于y轴旋转对称，旋转角为180度。

进一步的，上层金属面和下层金属面为T形。

进一步的，第一金属过孔分为上列第一金属过孔和下列第一金属过孔，其中上列左侧的第一金属过孔位于上层金属面和下层金属面的上边沿，上列右侧的第一金属过孔沿着金属面开槽设置；下列第一金属过孔位置与上列第一金属过孔的位置水平对称。

进一步的，第二金属过孔排列在锥形平行双线两侧。

进一步的，毫米波端射宽带圆极化双环阵列还包括介质棒，介质棒的形状为圆角锥形或三角锥形；将介质棒设置在介质基本的左侧。

本发明的有益效果为：本发明为单层介质板结构，加工难度简单，成本低；天线阵为单一馈电结构，并且两个开环辐射单元之间采用串馈形式，对比需要级联功分器或者采用巴特勒矩阵形成的馈电网络，其馈电方式简单、馈电结构紧凑；对比现有技术，在结构简单的基础上保持了宽3dB轴比带宽和高增益，本发明的工作频段覆盖由第三代合作伙伴计划(3GPP)分配的毫米波通信频段(24.25-29.25GHz)，具有结构简单、低剖面、宽轴比带宽和阻抗带宽、简单馈电网络，便于制作和集成到毫米波平面电路中等优点，具有良好的经济效益。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1为本发明中双环阵列的立体示意图；

图2为本发明中双环阵列的俯视图；

图3为本发明中双环阵列的仰视图；

图4为本发明中一种优选实施例的端口反射系数随频率变化的曲线图；

图5为本发明中一种优选实施例的轴比与增益随频率变化的曲线图；

图6为本发明中一种优选实施例在26GHz频率时的辐射方向图；

图7为本发明中一种优选实施例在28GHz频率时的辐射方向图；

图8为本发明中一种优选实施例在30GHz频率时的辐射方向图；

图中：1、上层金属面；2、介质基板；3、下层金属面；4、GCPW端口；5、上层金属面开槽；51、第一上层金属面开条；52、第二上层金属面开条；6、锥形平行双线；7、相位延迟线；8、偏移金属印刷条；9、开路金属印刷条；10、金属印刷条；11、第一金属化过孔；12、第二金属化过孔；13、第三金属化过孔；14、介质棒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种基于基片集成波导的毫米波端射宽带圆极化双环阵列，如图1所示，该阵列包括：上层金属面1、介质基板2、下层金属面3以及开环辐射单元组，介质基板2设置在上层金属面1和下层金属面3之间；在上层金属面1上设置有金属面开槽5；开环辐射单元组通过锥形平行双线6分别与上层金属面1和下层金属面3连接；在毫米波端射宽带圆极化双环阵列上设置有第一金属化过孔11和第二金属化过孔12；其中，第一金属化过孔11贯穿上层金属面1、介质基板2以及下层金属面3；第二金属过孔12贯穿介质基板2；。

优选的，上层金属面开槽5包括第一上层金属面开条51和第二上层金属面开条52，第一上层金属面开条51和第二上层金属面开条52均包括直线金属面开条和斜线金属面开条，其中直线金属面开条与斜线金属面开条连接；上层金属面开槽5形状为“八”字形，GCPW端口4位于第一上层金属面开条51和第二上层金属面开条52之间，GCPW端口4用于对双环阵列进行馈电。

进一步的，将上层金属面1、介质基板2和下层金属面3从右向左依次划分为GCPW结构、GCPW-SIW结构和SIW结构；其中，GCPW结构由上层金属面开槽5的直线金属面开条与其对应部分的上层金属面1、介质基板2、下层金属面3以及第一金属化过孔11共同组成；GCPW-SIW结构由上层金属面开槽5的斜线金属面开条与其对应部分的上层金属面1、介质基板2、下层金属面3以及第一金属化过孔11共同组成；SIW结构由未设置上层金属面开槽5所对应的上层金属面1、介质基板2以及下层金属面3和该部分对应的第一金属化过孔11组成。

优选的，开环辐射单元组包括至少1个开环辐射单元，开环辐射单元由两条偏移金属印刷条8、两条开路金属印刷条9、两条金属印刷条10以及两个第三金属化过孔13组成；上偏移金属印刷条8与上开路金属印刷条9连接，下偏移金属印刷条8与下开路金属印刷条9连接；一个第三金属化过孔13贯穿上金属印刷条8与上开路金属印刷条9的连接处和下金属印刷条10，另一个第三金属化过孔13贯穿下金属印刷条8与下开路金属印刷条9的连接处和上金属印刷条10。

进一步的，开环辐射单元组的开环辐射单元之间通过相位延迟线7串行连接。

进一步的，开环辐射单元组以开环辐射单元组中心点为定点，关于y轴旋转对称，旋转角为180度。

进一步的，上层金属面1和下层金属面3为T形。

进一步的，第一金属过孔11分为上列第一金属过孔和下列第一金属过孔，其中上列左侧的第一金属过孔位于上层金属面1和下层金属面3的上边沿，上列右侧的第一金属过孔沿着金属面开槽5设置；下列第一金属过孔位置与上列第一金属过孔的位置水平对称。

进一步的，第二金属过孔12排列在锥形平行双线6两侧；由于过孔处有0.2mm左右的金属环，第二金属过孔12用于屏蔽来自基片集成波导SIW结构和锥形平行双线6开放端的寄生辐射，提高双环天线阵的轴比特性。

进一步的，毫米波端射宽带圆极化双环阵列还包括介质棒14，介质棒14的形状为圆角锥形或三角锥形；将介质棒14设置在介质基本2的左侧；可选的，介质棒14与介质基板2材质相同；介质棒在双环阵列的端射方向上，用于提高所述端射天线阵的增益。可选的，介质基板2的厚度为1.5-1.6mm；优选的，介质基板2的厚度为1.575mm。

本发明的俯视图和仰视图分别如图2、图3所示，优选的，本发明的一个优选实施例的尺寸为：

此优选实施例的仿真结果如图4～8所示，图4显示本发明的天线的阻抗带宽为8GHz相对于中心频率27GHz相对带宽为29.6％，频率范围从23.7GHz到31.7GHz；图5显示本发明的天线阵的3dB轴比带宽为6.7GHz相对于中心频率27GHz相对带宽为24.8％，频率范围从23.8GHz到30.5GHz。辐射增益在26GHz时为10.5dBic，在28GHz时为10.9dBic，在30GHz时为11.2dBic；图6、图7和图8显示本发明的天线阵在三个频点26GHz、28GHz和30GHz时的主极化模式均为左旋圆极化。并且该天线阵的远场辐射方向图在XOY面中3个频点的3dB波瓣宽度分别为：37.2°、32.4°和28.5°；在YOZ面中3个频点的3dB波瓣宽度分别为：57.8°、45.2°和40.2°。

本发明为单层介质板结构，加工难度简单，成本低；天线阵为单一馈电结构，并且两个开环辐射单元之间采用串馈形式，对比需要级联功分器或者采用巴特勒矩阵形成的馈电网络，其馈电方式简单、馈电结构紧凑；对比现有技术，在结构简单的基础上保持了宽3dB轴比带宽和高增益，本发明的工作频段覆盖由第三代合作伙伴计划(3GPP)分配的毫米波通信频段(24.25-29.25GHz)，具有结构简单、低剖面、宽轴比带宽和阻抗带宽、简单馈电网络，便于制作和集成到毫米波平面电路中等优点，具有良好的经济效益。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“两侧”、“中心”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于基片集成波导的毫米波端射宽带圆极化双环阵列，其特征在于，包括：上层金属面(1)、介质基板(2)、下层金属面(3)以及开环辐射单元组，介质基板(2)设置在上层金属面(1)和下层金属面(3)之间；在上层金属面(1)上设置有金属面开槽(5)；开环辐射单元组通过锥形平行双线(6)分别与上层金属面(1)和下层金属面(3)连接；在毫米波端射宽带圆极化双环阵列上设置有第一金属化过孔(11)和第二金属化过孔(12)；其中，第一金属化过孔(11)贯穿上层金属面(1)、介质基板(2)以及下层金属面(3)；第二金属化过孔(12)贯穿介质基板(2)；

上层金属面开槽(5)包括第一上层金属面开条(51)和第二上层金属面开条(52)，第一上层金属面开条(51)和第二上层金属面开条(52)均包括直线金属面开条和斜线金属面开条，其中直线金属面开条与斜线金属面开条连接；

将上层金属面(1)、介质基板(2)和下层金属面(3)从右向左依次划分为GCPW结构、GCPW-SIW结构和SIW结构；其中，GCPW结构由上层金属面开槽(5)的直线金属面开条与其对应部分的上层金属面(1)、介质基板(2)、下层金属面(3)以及第一金属化过孔(11)共同组成；GCPW-SIW结构由上层金属面开槽(5)的斜线金属面开条与其对应部分的上层金属面(1)、介质基板(2)、下层金属面(3)以及第一金属化过孔(11)共同组成；SIW结构由未设置上层金属面开槽(5)所对应的上层金属面(1)、介质基板(2)以及下层金属面(3)和该部分对应的第一金属化过孔(11)组成；

开环辐射单元组包括至少1个开环辐射单元，开环辐射单元由两条偏移金属印刷条(8)、两条开路金属印刷条(9)、两条金属印刷条(10)以及两个第三金属化过孔(13)组成；上偏移金属印刷条(8)与上开路金属印刷条(9)连接，下偏移金属印刷条(8)与下开路金属印刷条(9)连接；一个第三金属化过孔(13)贯穿上偏移金属印刷条(8)与上开路金属印刷条(9)的连接处和下金属印刷条(10)，另一个第三金属化过孔(13)贯穿下偏移金属印刷条(8)与下开路金属印刷条(9)的连接处和上金属印刷条(10)；开环辐射单元组的开环辐射单元之间通过相位延迟线(7)串行连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于基片集成波导的毫米波端射宽带圆极化双环阵列，其特征在于，开环辐射单元组以开环辐射单元组中心点为定点，关于y轴旋转对称，旋转角为180度。

3.根据权利要求1所述的一种基于基片集成波导的毫米波端射宽带圆极化双环阵列，其特征在于，上层金属面(1)和下层金属面(3)为T形。

4.根据权利要求1所述的一种基于基片集成波导的毫米波端射宽带圆极化双环阵列，其特征在于，第一金属化过孔(11)分为上列第一金属过孔和下列第一金属过孔，其中上列左侧的第一金属过孔位于上层金属面(1)和下层金属面(3)的上边沿，上列右侧的第一金属过孔沿着金属面开槽(5)设置；下列第一金属过孔位置与上列第一金属过孔的位置水平对称。

5.根据权利要求1所述的一种基于基片集成波导的毫米波端射宽带圆极化双环阵列，其特征在于，第二金属化过孔(12)排列在锥形平行双线(6)两侧。

6.根据权利要求1所述的一种基于基片集成波导的毫米波端射宽带圆极化双环阵列，其特征在于，毫米波端射宽带圆极化双环阵列还包括介质棒(14)，介质棒(14)的形状为圆角锥形或三角锥形；将介质棒(14)设置在介质基板(2)的左侧。